(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を検出する検出手段を主面に備える第１の基板と、
前記第１の基板の前記主面上側に設けられる、前記電磁波を透過する材料を主成分とする第２の基板と、
前記第２の基板を介して入射された前記電磁波を前記検出手段へ集束させる集束領域および前記集束領域以外の領域である非集束領域からなり、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられる第３の基板と、を備え、
前記集束領域は、前記集束領域の第１の基板側端面の面積が前記集束領域の前記第２の基板側端面の面積より小さくなるように形成された貫通孔と、前記貫通孔の側面に被着された反射膜とを含み、前記貫通孔は、前記第１の基板および前記第２の基板により封止され、
前記第２の基板は、前記非集束領域の前記第２の基板側端面と接触する多角形状の方向変更手段を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記方向変更手段は、前記第１の基板の前記主面に対して０°超過９０°未満または９０°超過１８０°未満の角度を有する平面を、少なくとも１面含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記方向変更手段は、四角錐であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記方向変更手段は、金属から形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出手段を備える基板と、該検出手段へ電磁波を集束させる集束領域を持つ基板とを含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の赤外線検出素子を備える素子基板と、赤外線検出素子毎に形成した集光ミラーおよび集光穴を備える集光基板と、を有する赤外線センサがある（特許文献１参照）。当該赤外線センサでは、集光ミラーにより、赤外線検出素子周りの配線部分へ入射する赤外線を赤外線検出素子へ向けて集光させる。
【特許文献１】特開２００３−４５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記赤外線センサでは、集光基板における素子基板と対向する端面が素子基板と平行になっているので、上記端面に入射された赤外線は反射し、赤外線検出素子へ集光できない。これから、赤外線センサの検出感度が低いといった問題があった。
【０００４】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、検出感度を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的達成のため、本発明に係る半導体装置では、第２の基板を透過して入射された電磁波を第１の基板の検出手段へ集束させる集束領域、および、集束領域以外の領域である非集束領域からなり、第１の基板と第２の基板との間に設けられる第３の基板を備える。更に、前記集束領域は、前記集束領域の第１の基板側端面の面積が前記集束領域の前記第２の基板側端面の面積より小さくなるように形成された貫通孔と、前記貫通孔の側面に被着された反射膜とを含み、前記貫通孔は、前記第１の基板および前記第２の基板により封止されており、第２の基板は、非集束領域の第２の基板側端面と接触する多角形状の方向変更手段を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る半導体装置によれば、第３の基板の非集束領域の第２の基板側端面に入射された電磁波を、第１の基板の検出手段へ集束させることにより、検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る半導体装置の一例として、赤外線センサとして用いられる半導体パッケージについて、図１乃至図３を参照して説明する。なお、図１乃至図３は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各基板の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みおよび寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係および比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。図１は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ３０の斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置である半導体パッケージ３０は、第１の基板であるセンサ基板２の主面上側に第２の基板である窓基板１を備えている。更に、センサ基板２と窓基板１との間に設けられる第３の基板であるミラー基板３を備えている。センサ基板２、ミラー基板３および窓基板１は各々接合され、気密のとれた中空構造を形成している。
【０００８】
図２は、図１に示す窓基板１、ミラー基板３およびセンサ基板２の上面図である。図２（ａ）は窓基板１の上面図を、図２（ｂ）はミラー基板３の上面図を、図２（ｃ）はセンサ基板２の上面図を示している。図２（ａ）に示すように、窓基板１は、電磁波である赤外線を透過する材料、例えば、ＺｎＳまたはシリコンを主成分とし、４個の窓基板開口部８を備えている。また、図２（ｃ）に示すように、センサ基板２は、行列状に配置された１６個のセル６を、センサ基板２の主面に備えている。セル６の中心には、検出手段である受光部５が形成されている。受光部５は、入射された赤外線を検出し、電気信号に変換する。電気信号は、センサ駆動回路１１により走査されて順次選択される。センサ基板配線１０は、ミラー基板３に設けられたミラー基板貫通配線９と電気的に接続されている。
【０００９】
また、図２（ｂ）に示すように、ミラー基板３は、窓基板１を介して入射された赤外線を受光部５へ集束させる１６個の集束領域１２と、集束領域１２以外の領域である非集束領域１３からなる。１６個の集束領域１２は、受光部５と同様に、行列状に２次元に配置されている。非集束領域１３は、４個のミラー基板貫通配線９を備えている。ミラー基板３におけるミラー基板貫通配線９の位置と、窓基板１における窓基板開口部８の位置が同じになるように、ミラー基板貫通配線９を形成している。そして、窓基板開口部８、ミラー基板貫通配線９およびセンサ基板配線１０により、半導体パッケージ３０の外部回路とセンサ基板２との電気的接続が可能となっている。
【００１０】
図３は、図１に示す半導体パッケージ３０の断面図である。図３（ａ）は、センサ基板２の主面に対して垂直方向に、矢視ＡＡ（図１参照）で切断した断面を、図３（ｂ）は集束領域１２周辺に入射された赤外線の集束の様子を示している。図３（ａ）に示すように、ミラー基板３におけるミラー基板貫通配線９の位置と、窓基板１における窓基板開口部８の位置が同じになっている。更に、ミラー基板貫通配線９とセンサ基板配線１０とが電気的に接続している。また、センサ基板２の主面に行列状に配置された各セル６に対して、各集束領域１２が配置されている。
【００１１】
集束領域１２は、集束領域１２の第１の基板側端面であるセンサ基板２側端面の面積が集束領域１２の第２の基板側端面である窓基板１側端面の面積より小さくなるように形成された貫通孔１６を含む。本実施形態に係る貫通孔１６は、図２および図３に示したように、四角錐の底面を窓基板１側端面とし、上記底面と平行な面に沿って上記四角錐の途中で切断し、上記四角錐の頂点側を削除した形状となっている。これから、貫通孔１６の側面には、４枚の台形状の平坦な傾斜面が形成される。更に、集束領域１２は、貫通孔１６の側面に被着された反射膜である４枚の集光ミラー４を含む。集光ミラー４は、例えば、鍍金膜とし、赤外線がよく反射するようにしておく。そして、窓基板１、センサ基板２およびミラー基板３が各々接合されることで、貫通孔１６は封止される。
【００１２】
図３（ａ）に示したように、各集束領域１２の間には、非集束領域１３の窓基板１側端面の一部である集光ミラー上端面１４が存在する。ミラー基板３の製造方法にもよるが、例えばシリコン（１００）面へのウエットエッチングにより、ミラー基板３（貫通孔１６）を形成する場合、ウエットエッチングに用いられるマスクパターンの領域分が平面として残る。更に、窓基板１とミラー基板３とを接合するため、接合に必要な表面精度を出すために、ミラー基板３の窓基板１側端面を研削・研磨する。これにより、上記平面が拡大する。そして、研削・研磨された上記平面が集光ミラー上端面１４である。本実施形態に係る集光ミラー上端面１４は、センサ基板２の主面と平行な平面となっている。
【００１３】
ここで、図３（ｂ）に示すように、集束領域１２のセンサ基板２側端面の面積は、受光部５の面積とほぼ等しくしている。これにより、窓基板１を介して集束領域１２に入射された赤外線は、効率良く受光部５へ到達する。これから、受光部５の検出感度を向上させている。しかし、集光ミラー上端面１４の領域内に窓基板１を介して入射された赤外線は、集光ミラー上端面１４で反射し、結果として、受光部５へ到達しない。例えば、セル６のサイズを７０μｍ２とし、セル６の領域に入射された赤外線を１００％とする。このとき、集光ミラー上端面１４の幅が１０μｍであれば、実際に受光部５へ集束される赤外線は、セル６の領域に入射された赤外線の約７０％になる。すなわち、セル６の領域に入射された赤外線の約３０％は、集光ミラー上端面１４で反射し、受光部５へ到達していないことになる。
【００１４】
そこで、本実施形態に係る半導体パッケージ３０では、集光ミラー上端面１４の領域内に窓基板１を介して入射された赤外線を受光部５へ集束させるため、窓基板１は、集光ミラー上端面１４と接触する多角形状の方向変更手段である反射部１５を備えている。ここで、反射部１５は、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域（集光ミラー上端面１４を含む。）と接触する部分に、縦横５本ずつ格子状にＶ字溝（不図示）を形成した後、当該Ｖ字溝に鍍金等により金属を埋め込むことで形成される金属膜である。そして、集光ミラー上端面１４と反射部１５は面接触する。これから、集光ミラー上端面１４で反射し、受光部５へ到達しなかった赤外線を、図３（ｂ）に示したように反射部１５で反射させる。これにより、集光ミラー上端面１４の領域内に入射された赤外線を受光部５へ集束させることができる。結果、受光部５へ到達する赤外線の量が増大し、受光部５からの電気信号出力が増加するので、半導体パッケージ３０の検出感度をより向上させることができる。
【００１５】
また、窓基板１に反射部１５を設けるため、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域と接触する部分にＶ字溝を形成している。すると、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域と接触する部分に応力が発生し、窓基板１の強度が低下する虞がある。しかし、本実施形態では、反射部１５を金属膜としているので、窓基板１の強度の低下を防止することができる。よって、半導体パッケージ３０の信頼性の低下を防止できる。なお、図３（ｂ）に示したように、反射部１５における集光ミラー上端面１４と接触する面の幅は、集光ミラー上端面１４の幅と同じ、若しくは上記幅より大きくし、反射部１５により集光ミラー上端面１４が隠れるようにするのが望ましい。
【００１６】
次に、本発明の実施形態の変形例に係る半導体パッケージについて、図４を参照して説明する。また、本変形例に係る半導体パッケージについて、本実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。本変形例に係る半導体パッケージが本実施形態と異なる点は、方向変更手段である反射部が異なることである。図４は、本発明の実施形態の変形例に係る反射部２５を示す図である。図４（ａ）は、反射部２５および集光ミラー上端面１４の断面図である。図４（ｂ）は、反射部２５の上面図である。
【００１７】
図４に示すように、反射部２５は、集光ミラー上端面１４と接触する部分を四角錐の底面とし、上記底面と平行な面に沿って上記四角錐の途中で切断し、上記四角錐の頂点側を削除した形状となっている。すなわち、集光ミラー上端面１４と接触する部分の面積より、当該部分対向面の面積が小さくなるように形成されている。本実施形態と同様に、反射部２５は、鍍金等により形成された金属膜である。なお、反射部２５は、センサ基板２の主面に対して０°超過９０°未満または９０°超過１８０°未満の角度を有する平面を、少なくとも１面含む形状であれば良い。また、反射部２５は四角錐でも良い。これから、反射部２５を上記の形状としても、本実施形態と同様の効果を取得できる。
【００１８】
以上より、本発明に係る半導体パッケージ３０は、赤外線を検出する受光部５を主面に備えるセンサ基板２と、センサ基板２の主面上側に設けられる、赤外線を透過するＺｎＳまたはシリコンを主成分とする窓基板１とを備える。窓基板１を介して入射された赤外線を受光部５へ集束させる集束領域１２および集束領域１２以外の領域である非集束領域１３からなり、センサ基板２と窓基板１との間に設けられるミラー基板３とを備えている。窓基板１は、集光ミラー上端面１４に入射された赤外線を受光部５へ集束させるため、集光ミラー上端面１４と接触する反射部１５を備えている。これにより、集光ミラー上端面１４の領域内に入射された赤外線を受光部５へ集束させることができる。よって、受光部５へ到達する赤外線の量が増大し、受光部５からの電気信号出力が増加するので、半導体パッケージ３０の検出感度をより向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る半導体パッケージの集束領域１２は、集束領域１２のセンサ基板２側端面の面積が集束領域１２の窓基板１側端面の面積より小さくなるように形成された貫通孔１６と、貫通孔１６の側面に被着された集光ミラー４とを含む。貫通孔１６は、センサ基板２および窓基板１により封止される。
【００２０】
また、本発明に係る半導体パッケージの反射部１５、２５は金属膜である。窓基板１に反射部１５、２５を設けるため、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域と接触する部分にＶ字溝を形成していることから、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域と接触する部分に応力が発生し、窓基板１の強度が低下する虞があるが、これにより、窓基板１の強度の低下を防止することができる。よって、半導体パッケージの信頼性の低下を防止できる。
【００２１】
また、本変形例に係る半導体パッケージの反射部２５は、センサ基板２の主面に対して０°超過９０°未満または９０°超過１８０°未満の角度を有する平面を、少なくとも１面含む形状であれば良い。また、反射部２５は四角錐でも良い。上記の形状でも、集光ミラー上端面１４の領域内に入射された赤外線を受光部５へ集束させることができる。
【００２２】
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、受光部５は赤外線を検出しているが、特にこれに限定されるものでなく、電磁波を検出しても良い。例えば、可視光線、紫外線、Ｘ線または電波でも良い。
【００２３】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、ＺｎＳまたはシリコンを主成分とする窓基板１を含むが、特にこれに限定されるものでなく、赤外線を透過する材料であれば、他の材料を主成分とする窓基板を含んでいても良い。
【００２４】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、ミラー基板３の貫通孔１６を、シリコン（１００）面へのウエットエッチングにより形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、シリコンの他の面でも良い。また、シリコンでなく、他の材料でも良い。例えば、ＺｎＳの粉末を成型して形成しても良い。
【００２５】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、貫通孔１６を、四角錐の底面を窓基板１側端面とし、上記底面と平行な面に沿って上記四角錐の途中で切断し、上記四角錐の頂点側を削除した形状としているが、特にこれに限定されるものでなく、円錐の底面を窓基板１側端面とし、上記底面と平行な面に沿って上記円錐の途中で切断し、上記円錐の頂点側を削除した形状としても良い。更に、窓基板１の材料の屈折率および反射部１５のサイズにもよるが、貫通孔１６を、四角錐の底面をセンサ基板２側端面とし、上記底面と平行な面に沿って上記四角錐の途中で切断し、上記四角錐の頂点側を削除した形状としても良い。この場合、集束領域１２のセンサ基板２側端面の面積が集束領域１２の窓基板１側端面の面積より大きくなる。また、貫通孔１６を、円錐の底面をセンサ基板２側端面とし、上記底面と平行な面に沿って上記円錐の途中で切断し、上記円錐の頂点側を削除した形状としても良い。
【００２６】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、貫通孔１６を封止しているが、特にこれに限定されるものでなく、封止しなくても良い。
【００２７】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、貫通孔１６の側面に４枚の集光ミラー４を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、集光ミラー４を形成しなくても良い。例えば、ミラー基板３の材料の屈折率と異なる屈折率を持ち、かつ、赤外線を透過する材料を貫通孔１６内に埋め込むことで、窓基板１を介して入射された赤外線を受光部５へ集束させても良い。
【００２８】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、貫通孔１６および集光ミラー４から集束領域１２を構成しているが、特にこれに限定されるものでなく、赤外線を透過する材料を貫通孔１６内に埋め込んだ膜および貫通孔１６の側面に形成された集光ミラー４から集束領域を構成しても良い。
【００２９】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、集光ミラー上端面１４をセンサ基板２の主面と平行な平面としているが、特にこれに限定されるものでなく、集光ミラー上端面１４の領域内に入射された赤外線が受光部５へ到達しない平面であれば、センサ基板２の主面と角度があっても同様の効果を取得できる。
【００３０】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、反射部１５、２５は金属膜であるが、特にこれに限定されるものでなく、他の材料から形成した膜でも良い。また、全反射を利用した中空構造でも良い。
【００３１】
また、本実施形態および本変形例に係る半導体パッケージでは、反射部１５、２５を鍍金等により形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の製造方法により形成しても良い。
【００３２】
また、本実施形態に係る半導体パッケージ３０では、反射部１５を、窓基板１における集束領域１２の周囲の領域（集光ミラー上端面１４を含む。）に配置しているが、特にこれに限定されるものでなく、非集束領域１３に入射された赤外線を受光部５へ集束できる形状であれば、非集束領域１３の窓基板１側端面のどこに配置しても良い。
【００３３】
また、本実施形態および本変形例に係るセンサ基板２は、セル６を１６個配置しているが、特にこれに限定されるものでなく、セル６を何個配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体パッケージの斜視図。
【図２】図１に示す窓基板、ミラー基板およびセンサ基板の上面図。
【図３】図１に示す半導体パッケージの断面図。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係る反射部を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１  第２の基板である窓基板、２  第１の基板であるセンサ基板、
３  第３の基板であるミラー基板、４  反射膜である集光ミラー、
５  検出手段である受光部、６  セル、８  窓基板開口部、
９  ミラー基板貫通配線、１０  センサ基板配線、１１  センサ駆動回路、
１２  集束領域、１３  非集束領域、
１４  非集束領域の第２の基板側端面の一部である集光ミラー上端面、
１５  方向変更手段である反射部、１６  貫通孔、
２５  方向変更手段である反射部、
３０  半導体装置である半導体パッケージ
【図１】
0005272426.tif 000002
【図２】
0005272426.tif 000003
【図３】
0005272426.tif 000004
【図４】
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